革命性的方法，以地图的大脑在单神经元分辨率成功证明

今天的神经科学家发表在神经元在单个神经元的分辨率上绘制大脑的一种革命性的新方法的细节，他们已经在老鼠大脑中成功地证明了这一点。

这种新方法被称为MAPseq(通过测序的投影多路分析)，它可以在一个单一的实验中追踪大量单个神经元的长期投影，从一个或多个特定区域到它们在大脑中的任何位置大脑-这些实验的成本、劳动强度和时间都比目前的测绘技术低很多倍。

尽管一些重要的大脑测绘项目正在进行中，但所有这些获取“连接组”或线路图的努力都依赖显微镜和相关光学设备来追踪连接神经元和其他神经元的无数线程状投影。MAPseq有史以来第一次“将大脑映射的任务转化为RNA测序的任务，”它的发明者Anthony Zador说，他是医学博士，博士，冷泉港实验室的教授。

Zador解释说:“我们传递给单个神经元的RNA序列或‘条形码’是绝对独特的，这使我们能够确定单个神经元，而不是整个区域，是否为特定目标量身定制。”

MAPseq不同于目前普遍使用的所谓“批量追踪”方法，后者是一种标记物——通常是荧光蛋白——由神经元表达，并沿轴突携带。这样的标记很好地确定了源区域的神经元投射到的所有区域，但它们不能告诉科学家源区域的任何两个神经元投射到同一个区域，不同的区域，或者一些相同的区域，一些不同的区域。在一个特定区域内，一个细胞一个细胞地分解神经元的轴突目的地，这种无能为力促使Zador想出了一项新技术。

解释MAPseq优于批量追踪方法的一种方法是，想象一下在一个国际机场，打算登上飞往，比如说，德国的航班。“如果你去国际航站楼，你会看到售票处排起了长队，”Zador解释道。“如果你想去德国，在国际航站楼乘坐任何航空公司的航班都是不够的。如果你在智利航空公司的柜台前排队，你可能买不到去德国的机票。”

“许多航空公司的柜台相邻，服务的目的地很多，有些是重叠的，有些是独特的。你可以打印出一张地图，上面显示所有航空公司从你的机场出发的所有国家，但这并不能告诉你任何关于单个航空公司和它们去哪里的信息。这就是目前的标记方法与MAPseq的区别。在我的例子中，‘个别航线’是大脑中我们想追踪‘航线’的部分的相邻神经元。”

Zador和他的团队，包括他实验室的研究生Justus Kebschull，他是该研究的第一作者神经元介绍这种新方法的论文，花了几年的时间研究出一种技术，使他们能够通过在任何感兴趣的大脑区域进行一次注射，为大量的单个神经元分配独特的条形码一样的标识符。每次注射都含有一种灭活病毒，这种病毒被设计成含有大量独立的独特RNA分子，每个RNA分子的序列(由30个“字母”或核苷酸组成)都被单个神经元占据。30个字母产生的条形码序列(1018)比老鼠或人类大脑中的神经元数量多很多很多倍，所以这种方法特别适合解决大脑映射所带来的巨大复杂性问题。

注射到大脑的“源”区域含有一个编码多种条形码序列的病毒库，这些病毒库连接到一种工程蛋白上，该蛋白被设计成沿着轴突通路携带条形码。条形码RNA以高水平表达，并被运输到注射源区轴突的末端。在每个神经元中，它传播到轴突与另一个神经元的投影形成突触的点。测试表明这项技术是有效的——条形码在整个大脑中，沿着轴突的“主干线”，向外到达突触形成的“分支点”，可靠而均匀地传递。

在一个感兴趣的区域进行一次或多次注射后大约两天，大脑被解剖，RNA被收集和测序。“源”区域的RNA条形码现在与大脑远处收集到的相同条形码相匹配。

Kebschull说:“RNA测序是一个高效、自动化的过程，这使得MAPseq成为一个潜在的激进工具。”“除了RNA测序的速度和经济，它还有一个巨大的优势，那就是使研究人员能够区分单个神经元在同一个区域内投射到大脑的不同部位。”

为了证明MAPseq的能力，Zador的团队注射了老鼠大脑中名为蓝斑(LC)的部分，位于脑干。它是大脑皮层去甲肾上腺素的唯一来源，去甲肾上腺素是一种发出惊讶信号的激素。Zador的团队用MAPseq解决了一个老问题:“惊喜”信号是在大脑皮层的所有地方传播，还是只传播到可能最需要或最相关的特定地方?

在他们的演示实验中，只有最终到达皮质或嗅球的RNA被测序，连同最初注入条形码的LC源区域的RNA也被测序。研究小组将大脑皮层分成22片，每片大约300微米厚，并对其进行解剖。结果令团队兴奋不已。

Zador说:“我们发现，LC中的神经元有多种特殊的投射模式。”“有些神经元几乎只投射到大脑皮层或嗅球中的单一首选目标上。其他神经元的投射范围更广，尽管很弱。”

这些结果，他补充说，“与之前关于LC预测的看似矛盾的结果一致，也一致。”惊喜信号可以到达大脑的大部分区域，但大脑中有一些非常特定的区域是信号特别集中的地方。

研究小组表明，在LC中注射一剂，也可以在相反的两侧注射两剂，都可以得到实验结果。已经在进行的实验中，整个皮质被注射“平铺”。希望这将产生第一个单神经元分辨率的整个皮层连接组。

Zador说:“一旦我们将多次注射的过程自动化，我们认为这种实验可以由一个人在一两周内完成，成本仅为几千美元。”“我们非常希望能够在单个动物身上进行这类研究，这将消除过去注射多个动物来追踪多个神经元的问题，这种方法需要基于多个大脑绘制一张地图，每个大脑都有些不同。”

Zador使用MAPseq的下一个目标是绘制模拟各种神经发育和神经精神疾病的动物的大脑，看看与因果关系密切相关的基因突变如何改变大脑回路的结构，进而可能改变大脑功能。

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